空间任务参与度调控海马速度依赖性乙酰胆碱释放的新机制

《Cell Reports》：Modulation of speed-dependent acetylcholine release in the hippocampus by spatial task engagement

本研究利用基因编码乙酰胆碱(ACh)传感器GRAB-ACh4I，结合双光子显微成像技术，首次在亚秒级时间尺度上揭示了小鼠海马CA1区ACh释放的空间均质性和速度依赖性特征。研究发现新颖环境暴露会引起ACh释放持续性增强，而任务脱离状态则导致速度相关性释放幅度降低，并伴随位置细胞编码精度下降。该研究为理解胆碱能系统在空间记忆编码中的动态调控机制提供了重要证据。

　　

当我们穿行在陌生城市时，大脑如何快速构建空间地图？这一过程离不开海马体的精密运作，而乙酰胆碱(ACh)作为关键神经调质，长期以来被认为在记忆编码中扮演重要角色。传统理论认为，高ACh水平促进记忆编码，低水平则利于记忆巩固，但这一模型缺乏直接证据支持。更关键的是，由于技术限制，科学家们一直无法在行为过程中实时观测海马体内ACh的动态变化，特别是环境新颖性和任务参与度如何调节ACh释放模式，这些问题成为领域内的研究瓶颈。

针对这些挑战，Feng Xuan等研究者在《Cell Reports》上发表了创新性研究。他们采用基因编码ACh传感器GRAB-ACh4I(EC₅₀6.6μM)结合多平面双色双光子成像技术，在小鼠进行虚拟现实(VR)空间导航任务时，首次实现了海马CA1区ACh释放的微米级空间和亚秒级时间分辨率监测。

研究主要采用以下关键技术：通过病毒载体将GRAB-ACh4I传感器表达于小鼠海马CA1区神经元；利用双光子显微镜进行多平面（包括 stratum oriens SO、stratum pyramidale SP、stratum radiatum SR三层）同步成像；结合虚拟现实线性轨道行为范式；使用广义线性模型(GLM)分析行为变量与ACh信号的关系；同时记录位置细胞活动并进行贝叶斯解码分析。

ACh释放动力学在CA1区具有空间均质性

研究人员发现，CA1区内ACh释放表现出惊人的空间一致性。通过将成像区域划分为不同大小的网格（从4×4到124×124）进行分析，各区域间信号相关性高达0.91-0.92，且相关性随距离增加仅轻微下降。这种均质性在SO、SP、SR三层中均存在，分辨率可达3微米水平。层间相关性分析显示，SO-SP、SO-SR、SP-SR之间的相关系数分别为0.96、0.96和0.97，表明尽管胆碱能输入来源不同（MS和VDB核团），但各层ACh释放模式高度协调。

ACh释放与运动速度正相关

行为分析揭示，跑步速度是解释ACh信号变异的最主要因素。GLM模型显示，速度解释的方差显著高于舔舐、奖励时间等其他预测因子。当按速度分级（每2.5 cm/s为一档）分析时，ACh释放与速度呈现明显正相关（Spearman相关系数ρ=1.00，p=6.0×10^-6），这种关系在CA1各层中高度一致。

新颖环境暴露引起ACh释放持续性增加

环境切换实验表明，当小鼠从熟悉环境突然进入新颖环境时，CA1区ACh释放出现快速而持久的增加，这种增强效应持续数十个运动周期。重要的是，这种增加不能仅用行为变化解释，因为基于熟悉环境训练的GLM模型无法预测新颖环境中的ACh升高。尽管新颖环境中ACh与速度仍保持正相关，但斜率较熟悉环境有所降低。

任务脱离降低速度相关性ACh释放并损害位置编码

当小鼠自愿脱离任务时（通过饱足诱导），速度相关性ACh释放幅度显著降低（从9.70%±0.57%降至4.96%±0.33% ΔF/F）。这种变化伴随位置细胞编码的全面退化：位置细胞比例从50.05%±2.24%降至18.75%±2.02%；位置细胞可靠性（ trial-trial相关性）从0.56±0.02降至0.39±0.02；空间信息量从1.98±0.06降至1.56±0.07 bits/AP；群体解码误差从31.74±3.16 cm增至85.12±4.47 cm。

东莨菪碱模拟任务脱离效应

系统性给予毒蕈碱受体拮抗剂东莨菪碱（高剂量1 mg/kg，低剂量0.5 mg/kg）后，小鼠表现出与自愿脱离相似的行为变化：速度整体减慢，奖励前减速和 anticipatory舔舐减少。同时，ACh释放幅度呈剂量依赖性降低（盐水5.92%±0.27%，高剂量东莨菪碱4.96%±0.27%）。位置细胞编码也出现类似退化：高剂量东莨菪碱组位置细胞比例降至22.51%±3.70%，可靠性降至0.41±0.02，解码误差增至90.97±4.02 cm。

研究结论与讨论部分指出，该研究首次全面描绘了行为状态下海马ACh释放的精细时空动力学特征。发现ACh释放的空间均质性支持了容积传输理论，即ACh可能以弥散方式广泛调节海马网络状态。新颖环境引起的ACh持续性增加，为理解记忆编码的胆碱能机制提供了直接证据——可能通过增强内嗅皮层-CA1通路输入，优先处理新颖感觉信息。任务参与度与ACh释放的紧密关联，揭示了注意力状态如何通过胆碱能系统门控海马空间编码的重要机制。东莨菪碱实验进一步证实毒蕈碱受体在维持精确位置图谱中的关键作用。

该研究的重要意义在于将胆碱能调节的理论框架与具体神经编码机制直接联系，为理解阿尔茨海默病等胆碱能系统功能障碍疾病的认知缺陷提供了新视角。未来研究可通过特异性操纵胆碱能输入，进一步解析ACh对不同类型神经元和网络动态的精细调控机制。